[論文レビュー] Substructure of high-p_T Jets at the LHC

L.G. Almeida, S.J. Lee+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 72

ひとこと要約

本論文では、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）における高- $p_T$ ジェットがトップクォークの崩壊由来であるか、QCD背景ジェットであるかを区別するために、赤外安全なジェット構造観測量——特に平面的フローと偏角性——を提案する。ジェット内でのエネルギーフローのパターンを分析することで、著者らはトップジェットが3体崩壊に起因する平面的エネルギー堆積を示すのに対し、QCDジェットはより線形なフローを示すことを示した。摂動的計算とモンテカルロシミュレーションにより、$\tilde{\tau}_{-2}$ や $\tilde{\tau}_{-5}$ などの偏角性が信号と背景を効果的に分離できることを確認した。最適な運動量領域では、信号対背景比が10を超える。

ABSTRACT

We study high-pt jets from QCD and from highly-boosted massive particles such as tops, W, Z and Higgs, and argue that infrared-safe observables can help reduce QCD backgrounds. Jets from QCD are characterized by different patterns of energy flow compared to the products of highly-boosted heavy particle decays, and we employ a variety of jet shapes, observables restricted to energy flow within a jet, to explore this difference. Results from Monte Carlo generators and arguments based on perturbation theory support the discriminating power of the shapes we refer to as planar flow and angularities. We emphasize that for massive jets, these and other observables can be analyzed perturbatively.

研究の動機と目的

• 高- $p_T$ ジェットがトップクォークの崩壊由来であるか、QCD背景ジェットであるかを効果的に区別できる赤外安全なジェット形状観測量を同定すること。
• 摂動的量子色力学（QCD）計算が、質量を持ちブーストされた粒子のジェット構造観測量を信頼性高く予測できることを示すこと。
• 平面的エネルギーフローと偏角性が、新しい物理探索に適したジェット質量ウィンドウにおいて、信号対背景の分離を強化することを示すこと。
• MadGraph や Sherpa などのモンテカルロジェネレータを用いて理論的予測を検証し、現実的な検出器に類似した条件下でも観測量の頑健性を確認すること。

提案手法

• 著者らは、ジェットコーン内でのエネルギーフローに対する赤外安全な汎関数としてジェット形状を定義し、特に平面的フローと偏角性 $\tilde{\tau}_a$ に注目する。
• ジェット断面積を計算するために、因子化に基づくアプローチを採用し、微分断面積を部分的断面積とジェット関数の畳み込みとして表現する。
• ジェット関数 $J_c(e, m_J, p_T, R)$ は摂動的に導出され、QCDに対しては $\mathcal{O}(\alpha_s)$ で一次の寄与を計算し、電磁的崩壊に対しては零次に相当する。
• 平面的フローは、$D$ パラメータの二次元一般化として定義され、ジェット内のエネルギー堆積の非等方性を測定する。
• 偏角性 $\tilde{\tau}_a$ は $\tilde{\tau}_a = \frac{1}{p_T^a} \sum_i \Delta R_i^a E_i^a$ で計算され、$a$ は端縁部と中心部のフローに対する感度を制御する。
• 信号対背景比 $R(\tilde{\tau}_a) = P^{\text{sig}}(\tilde{\tau}_a)/P^{\text{QCD}}(\tilde{\tau}_a)$ は、イベントレベルでの分離能力を定量化するために用いられる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 平面的フローと偏角性などの赤外安全なジェット構造観測量が、QCD背景ジェットとトップクォークジェットを効果的に区別できるか。
• RQ2 QCDジェット（2体崩壊に類似したフロー）とトップジェット（3体崩壊に起因する平面的フロー）との間で、ジェット形状の摂動的予測にどのような差が生じるか。
• RQ3 異なる $a$ 値を持つ偏角性が、現実的なモンテカルロシミュレーションにおいて、信号と背景の分離をどの程度向上させるか。
• RQ4 特定の偏角性値における信号対背景確率比が、イベントごとの分析において頑健な分離器として用いられるか。

主な発見

• 平面的フローは、3体崩壊に起因する2次元的エネルギー堆積を示すトップジェットと、主に線形的エネルギーフローを示すQCDジェットを効果的に区別する。
• 偏角性 $\tilde{\tau}_{-2}$ や $\tilde{\tau}_{-5}$ は強力な分離能力を示し、好都合な運動量領域では信号対背景比が10を超える。
• 信号対背景比 $R(\tilde{\tau}_{-2})$ は $\tilde{\tau}_{-2} \approx 0.02$ の近辺で1を超えることから、最大分離領域が存在することが示された。
• MadGraph からのイベントジェネレータ出力は、最低次の摂動的予測とよく一致しており、理論的期待値とシミュレートデータとの間に良好な一致が確認された。
• トップジェットでは $\tilde{\tau}_{-5}$ が $\phi = 0$ および $\pi$ で最大値を示し、端縁部のフローに対して感度が高まっていることが示されたのに対し、2体崩壊では同様の依存性は見られない。
• 赤外安全な性質のおかげで、偏角性分布に対する高次の補正項は予想されるほど大きくなく、摂動的計算の信頼性が支持される。